Trocadores de Calor

Trocadores de Calor

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Trocadores de Calor

Definição Recuperadores

Tipos de Trocadores

Correntes paralelas

Multipasses e correntes cruzadas

Coaxiais

Trocador de Calor de Casco e Tubos

Compactos Cálculo de um Trocador de Calor DTML

Coeficiente global de transferência de calor NUT Aplicações de Trocadores de Calor

Torres de Refrigeração

Condensadores Evaporadores Leito Fluidizado

Codicionadores de ar

Aquecedores Alambique Radiador Automotivo Manutenção de um Trocador Referências Bibliográficas Créditos

Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Este processo é comum em muitas aplicações da Engenharia. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico. Em virtude das muitas aplicações importantes, a pesquisa e o desenvolvimento dos trocadores de calor têm uma longa história, mas ainda hoje se busca aperfeiçoar o projeto e o desempenho de trocadores, baseada na crescente preocupação pela conservação de energia.

Trocador do tipo casco-tubo RECUPERADORES

Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com:

- A disposição das correntes dos fluidos: correntes paralelas, contracorrente, correntes cruzadas e multipasse. - Tipo de construção: segundo a construção os trocadores podem ser de tubos coaxiais, casco e tubos e compactos.

Multipasse e com Correntes Cruzadas Multipasse

Existem situações em que, devido a restrições de espaço, econômicas ou condições técnicas específicas opta-se por construir trocadores com multipasse nos tubos e ou no casco.

Trocadores de Calor de Correntes Cruzadas

Nos trocadores de calor de correntes cruzadas, os fluidos se deslocam com correntes perpendiculares uma à outra. Neste caso os trocadores podem ser aletados ou sem aletas, diferindo-se pelo fato dos fluidos que se movem sobre os tubos estarem não misturados ou misturados respectivamente. No primeiro caso o fluido é não misturado, pois as aletas impedem o movimento na direção transversal à direção principal da corrente, o que já é possível nos tubos sem aletas, e as variações de temperatura, neste caso ocorrem principalmente na direção principal da corrente.

Nos dois casos anteriores é possível aplicar as equações já apresentadas para trocadores em corrente e contracorrente simples, com a seguinte modificação:

onde ΔTml c é o calculado para contracorrente e F pode ser obtido dos ábacos abaixo para cada caso.

Trocador de Calor de Tubos Coaxiais

Trocador de Calor de Casco e Tubos - Trocador de Calor casco e tubos com um passe no casco e um passe nos tubos (Contracorrente).

- Trocador de Calor casco e tubos a - Um passe no casco e dois passes nos tubos. b - Dois passes no casco e quatro passes nos tubos.

Feixe tubular com tubos espiralados (alto rendimento térmico)

Trocadores de Calor Compactos

Os trocadores de calor compactos são usados, tipicamente, quando se deseja ter uma grande área de transferência de calor por unidade de volume e pelo menos um dos fluidos é um gás. Um bom exemplo é o radiador do sistema de refrigeração dos motores automotivos.

Existem muitas configurações diferentes de tubos e de placas, cujas diferenças se devem principalmente ao modelo e à disposição das aletas. As características da transferência de calor e do escoamento foram determinadas para configurações específicas e se apresentam, nos casos típicos, no formato das Figs. 1 e 2. Os resultados para a transferência de calor estão correlacionados pelo fator j de Colbum e pelo número de Reynolds, com o número de Stanton (St = h/Gcp) e o de Reynolds baseados na velocidade mássica máxima A grandeza s , é a razão entre a área mínima de escoamento livre das passagens aletadas (área da seção reta perpendicular à direção da corrente) Aff e a área frontal Afr do trocador. Os valores de s, de Dh (diâmetro hidráulico do canal de escoamento), de a (área superficial de transferência de calor por unidade do volume do trocador), Af /A (razão entre a área das aietas e a área total de transferência de calor) e de outros parâmetros geométricos estão listados para cada configuração. A razão Af /A é usada para estimar a efetividade térmica n,. Num cálculo de projeto, a será usado para a determinação do volume do trocador de calor, depois de a área da superfície de transferência de calor ser achada; num cálculo de desempenho, este parâmetro será usado para determinar a área superficial a partir do conhecimento do volume do trocador de calor.

No cálculo de um trocador de calor compacto, utilizam-se inicialmente informações empíricas, como as das Figs. 1 e 2, para determinar o coeficiente de convecção médio das superfícies aletadas. O coeficiente global de transferência de calor seria então determinado ou pelo método da DTML ou pelo método E-NUT e depois prosseguiriam os cálculos de projeto, OU de desempenho, do trocador de calor.

A perda de carga associada ao escoamento através de um feixe de tubos aletados, como os das Figs. 1 e 2, pode ser calculada.

Figura A

Vi e v0 são os volumes específicos do fluido na entrada e na saída e vm. = (vi + v0)/2. A primeira parcela no segundo membro refere-se aos efeitos da aceleração ou da desaceieração do fluido ao passar através do trocador de calor enquanto a segunda parcela refere-se às perdas provocadas pelo atrito do fluido. Numa certa configuração do miolo do trocador, o fator de atrito é uma função do número de Reynolds como, por exemplo, está nas Figs. 1 e 2 num trocador de tamanho determinado, a razão entre as áreas pode ser estimada pela relação (A/Aff) = (a V/s Afr) onde V é o volume total do trocador.

Figura B

O trabalho clássico de Kays e London dá o fator de Colburn j e o fator de atrito para muitos trocadores de calor compactos, com diferentes miolos, e inclui configurações com tubos chatos (Fig. 1.5a) e com chapas aletadas (Fig. 1.5d, e), e também outras configurações com tubos circulares (Fig. 1.5b, c).

Os problemas de projeto, análise e ou desenvvolvimento de um trocador de calor para uma finalidade específica podem ser classificados em dois grupos principalmente: problema de projeto e problema de desempenho. A solução de um problema é facilitada pela adoção do método mais adequado a ele.

O problema de projeto é o da escolha do tipo apropriado de trocador de calor e o da determinação das suas dimensões, isto é, da área superficial de transfeência de calor A necessária para se atingir a temperatura de saída desejada. A adoção do método da ΔTML é facilitada pelo conhecimento das temperaturas de entrada e saída dos fluidos quente e frio, pois então Δ Tml pode ser calculada sem dificuldade.

Um outro problema é aquele no qual se conhecem o tipo e as dimensões do trocador e se quer determinar a taxa de transferência de calor e as temperaturas de saída quando forem dadas as vazões dos fluidos e as temperaturas na entrada. Embora o método da DTML possa ser usado neste cálculo de desempenho do trocador de calor, o procedimento seria tedioso e exigiria iteração. Isto poderia ser evitado com a aplicação do método do NUT.

Método da DTML

Para prever ou projetar o desempenho de um trocador de calor, é essencial relacionar a taxa global de transferência de calor a grandezas como as temperaturas de entrada e de saída, o coeficiente global de transferência de calor e a área superficial total da transferência de calor.

Foge do objetivo do presente documento o desenvolvimento matemático e deduções das fórmulas relativas aos processos de troca de calor. Portanto serão apresentadas as necessárias ao estudo, análise e projeto de trocadores, sem maiores justificativas.

Pela aplicação de balanços globais de energia ao fluidos quente e frio, temos:

Relacionando-se a taxa total de transferência de calor q à diferença de temperatura dT entre os fluidos quente e frio, temos:

dTml é a diferença de temperatura média apropriada para cada caso, a saber: trocador de calor com correntes paralelas ou contracorrente, multipasse e correntes cruzadas.

Observações:

Para a dedução das fórmulas acima algumas hipóteses foram consideradas: • O coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o comprimento da trajetória.

• O calor específico é constante.

• Não existem mudanças de fase parciais no sistema, isto é, vaporização ou condensação. A dedução se aplicará para trocas de calor sensível e quando a vaporização ou condensação for isométrica em todos os pontos de trajetória.

• As perdas de calor para o ambiente são desprezíveis.

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